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CO经草酸二乙酯合成乙二醇催化剂研究

作　者: 贺黎明
导　师: 陈晓春
学　校: 北京化工大学
专　业: 工业催化
关键词: CO 草酸二乙酯加氢反应乙二醇 Pd/Al2O3催化剂 Cu/SiO2催化剂
分类号: TQ426.94
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

乙二醇是一种重要的化工原料,由于我国需求旺盛而产能不足,进口依赖度逐年增加。目前国内外乙二醇生产均采用以石油化工为基础的环氧乙烷直接水合法工艺,能耗和物耗等技术指标偏高,而我国属于贫油多煤国家,开发非石油路线合成乙二醇生产工艺具有原料优势。CO经草酸酯合成乙二醇由两步反应构成,第一步：CO偶联反应合成草酸酯工艺；第二步：草酸酯加氢合成乙二醇工艺。本论文分别对草酸酯合成催化剂的制备和草酸酯加氢催化剂的制备进行了研究,对催化剂进行了系统表征,考察了不同制备条件和不同工艺条件下的催化剂性能,具体研究工作如下：(1)草酸二乙酯(DEO)合成催化剂研究采用浸渍法制备了系列草酸二乙酯合成钯催化剂,对载体和催化剂进行了系统表征。研究结果表明,γ-氧化铝经过高温焙烧后,相应比表面、孔结构、晶型及表面酸性均发生改变。对于单金属Pd/a-Al2O3催化剂而言,钯呈蛋壳型分布,还原后催化剂活性组分以Pd。存在。对于双金属Pd-Fe/a-Al2O3催化剂而言,加入助剂铁后,钯分散度增加,还原后铁以FeO存在,载体、助剂和活性组分之间形成了“夹心”结构,活性组分分散性和稳定性有所提高。采用固定床反应器考察了催化剂制备条件和Cl-含量对催化性能的影响,发现α-Al2O3比α-Al2O3更适合作为催化剂载体；催化剂中Cl-含量对催化剂选择性有较大影响,讨论了副产物碳酸二乙酯的形成原因。反应工艺条件试验表明,在反应温度115-125℃,反应原料CO和草酸二乙酯配比为1.2-1.6,空速为2800-3600h-1的条件下,CO的转化率可达35%以上,草酸二乙酯选择性可达95%,Pd-Fe/α-Al2O3催化剂稳定性能良好。(2)草酸二乙酯加氢催化剂表征研究以四硅酸乙酯为硅源,硝酸铜为铜源,采用改进的溶胶-凝胶法制备了系列草酸二乙酯加氢Cu/SiO2催化剂,对还原前后的铜催化剂进行了系统表征,结果表明,催化剂铜含量和氨水溶液pH值对催化剂的比表面、孔结构、物相组成、铜价态、还原性能和分散性有较大的影响。在一定的铜含量范围内,催化剂前体中铜组分主要以层状硅酸铜的形式存在,即使在铜含量较高时,铜组分在载体中仍然有良好的分散性,催化剂有较大的比表面。Cu/SiO2催化剂经高温焙烧后,部分层状硅酸铜仍以层状形式存在,另一部分分解为CuO,且在载体上分散良好。铜含量低于37.8%的催化剂经焙烧存在两种铜组分：层状硅酸铜和高度分散的CuO；而铜含量高于37.8%的催化剂经焙烧后存在三种铜组分：层状硅酸铜、高度分散的CuO和颗粒较粗的CuO。催化剂经还原后,层状硅酸铜还原为一价铜,而CuO还原为金属铜。随着氨水溶液pH值的升高,硅胶中的羟基反应活性增强,因此较高的pH值有利于催化剂中层状硅酸铜的形成。作为对比,采用沉淀沉积法制备了Cu/SiO2催化剂并进行了相关表征,还原前沉淀沉积法催化剂中铜组分以CuO的形式存在,未发现层状硅酸铜的存在,因此这类催化剂比表面较低,还原后Cu物种主要以Cu0为主。(3)草酸二乙酯加氢催化剂性能评价对溶胶-凝胶法催化剂和沉淀沉积法催化剂进行了对比评价,研究结果表明,溶胶-凝胶法催化剂性能好于沉淀沉积法催化剂,究其原因是因为溶胶-凝胶法有助于层状硅酸铜的形成,导致焙烧后该类催化剂比表面积较大,还原后该类催化剂有适宜的Cu+/Cu0。实验考察了催化剂制备条件和反应条件对溶胶-凝胶法催化剂性能的影响,铜含量和氨水溶液pH值对催化剂性能有较大的影响,且有类似的变化规律。随着铜含量增加,草酸二乙酯转化率和乙二醇选择性呈现出先增加后减少的趋势,峰值出现在催化剂中铜含量37.8%处；催化性能随氨水溶液pH值的变化趋势与铜含量的变化趋势亦一致。焙烧温度和还原温度对催化性能也有重要的影响。至于反应条件对催化性能的影响,在优化工艺[温度220℃、压力2MPa、气体空速7000 h-1、n (H2):n(DEO)=70]条件下,草酸二乙酯的转化率可达96%,乙二醇的选择性为88%。实验研究了草酸二乙酯加氢铜催化剂失活的原因,催化剂主要失活原因是反应后催化剂中活性组分聚集长大和催化剂小孔被结焦物堵塞；进一步的催化作用机理分析表明,草酸二乙酯加氢催化性能与催化剂中Cu+和Cu0协同作用有关。

全文目录

摘要  4-7
ABSTRACT  7-21
第一章绪论  21-36
  1.1 乙二醇合成研究进展  21-26
    1.1.1 石油化工路线合成工艺  21-23
    1.1.2 非石油路线合成工艺  23-26
  1.2 CO经草酸酯加氢合成乙二醇研究进展  26-33
    1.2.1 CO偶联催化合成草酸酯研究进展  26-29
    1.2.2 酯加氢铜催化剂研究进展  29-30
    1.2.3 草酸酯加氢研究进展  30-33
  1.3 本论文研究目的及内容  33-36
    1.3.1 研究目的  33-35
    1.3.2 研究内容  35-36
第二章 CO经草酸酯合成乙二醇反应热力学分析  36-46
  2.1 主要化学反应  36
    2.1.1 草酸二乙酯合成主要化学反应  36
    2.1.2 草酸二乙酯加氢主要化学反应  36
  2.2 基础热力学数据  36-37
  2.3 反应热力学计算  37-41
    2.3.1 草酸二乙酯合成反应热力学计算  38-39
    2.3.2 草酸二乙酯加氢反应热力学计算  39-41
  2.4 化学平衡计算和讨论  41-46
    2.4.1 草酸二乙酯合成反应平衡计算  42-43
    2.4.2 草酸二乙酯加氢反应平衡计算  43-46
第三章实验方法  46-55
  3.1 主要原料和设备  46-47
  3.2 亚硝酸乙酯制备  47-48
  3.3 催化剂制备  48-49
    3.3.1 草酸二乙酯合成Pd催化剂制备  48-49
    3.3.2 草酸二乙酯加氢铜催化剂制备  49
  3.4 催化剂表征  49-52
  3.5 催化剂性能评价  52-53
    3.5.1 草酸二乙酯合成Pd催化剂评价方法  52
    3.5.2 草酸二乙酯加氢铜催化剂评价方法  52-53
  3.6 计算方法  53-54
  3.7 分析方法  54-55
    3.7.1 草酸二乙酯合成反应产品分析  54
    3.7.2 草酸二乙酯加氢反应产品分析  54-55
第四章草酸二乙酯合成催化剂研究  55-81
  4.1 载体表征  55-57
    4.1.1 载体比表面和孔分布  55-56
    4.1.2 载体晶型  56-57
    4.1.3 载体酸性  57
  4.2 催化剂表征  57-68
    4.2.1 XRD分析  57-58
    4.2.2 XPS表征  58-61
    4.2.3 TPR测试  61-63
    4.2.4 SEM和TEM测试  63-65
    4.2.5 CO探针分子吸附研究  65-66
    4.2.6 催化剂比表面和孔体积  66-67
    4.2.7 TG分析  67-68
  4.3 催化剂性能评价  68-78
    4.3.1 催化剂制备条件的影响  68-74
    4.3.2 钯负载量对催化性能的影响  74
    4.3.3 助剂的影响  74-76
    4.3.4 催化剂中Cl~-含量的影响  76
    4.3.5 反应工艺条件的影响  76-78
  4.4 钯催化剂结构及组成  78-80
  4.5 小结  80-81
第五章草酸二乙酯加氢合成乙二醇催化剂表征研究  81-109
  5.1 引言  81
  5.2 溶胶-凝胶法制备Cu/SiO_2催化剂表征  81-102
    5.2.1 还原前溶胶-凝胶法催化剂表征  81-97
    5.2.2 还原后溶胶-凝胶法催化剂表征  97-102
  5.3 沉淀沉积法制备Cu/SiO_2催化剂表征  102-105
  5.4 Cu/SiO_2催化剂物相组成  105-107
    5.4.1 溶胶-凝胶法催化剂物相组成  105-107
    5.4.2 沉淀沉积法催化剂物相组成  107
  5.5 小结  107-109
第六章草酸二乙酯加氢催化剂性能研究  109-123
  6.1 催化剂制备方法对催化性能的影响  109-110
  6.2 制备条件对溶胶-凝胶法催化剂的影响  110-115
    6.2.1 催化剂铜含量的影响  110-111
    6.2.2 氨水溶液pH的影响  111
    6.2.3 焙烧温度的影响  111-113
    6.2.4 还原温度的影响  113-115
  6.3 反应条件对溶胶-凝胶法催化剂性能影响  115-119
    6.3.1 反应温度的影响  115-116
    6.3.2 反应压力的影响  116-117
    6.3.3 气体空速的影响  117-118
    6.3.4 氢酯摩尔比的影响  118-119
  6.4 铜催化剂失活原因  119-121
  6.5 草酸二乙酯加氢机理分析  121-122
  6.6 小结  122-123
第七章结论及展望  123-125
参考文献  125-137
致谢  137-138
研究成果及发表的学术论文  138-139
导师和作者简介  139

CO经草酸二乙酯合成乙二醇催化剂研究

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